CN102207449A - 纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法，该方法包括以下步骤：步骤1：浇筑纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件(7)，提供一种单模光纤(b)作为应变传感器与纤维增强复合筋一起生产成型纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)，然后浇筑纤维复合增强筋-光纤筋中心拉拔试件，同时浇筑三个混凝土立方体试块以备检测混凝土强度之用，该混凝土立方体试块的长、宽、高都为150毫米；步骤2：纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件养护，按照《混凝土强度评定标准》规定的混凝土试件标准养护28天。本发明提供的试验方法准确可靠。

Description

纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法

技术领域

本发明涉及新型复合FRP(纤维复合增强筋)与混凝土粘结性能测试技术领域。

背景技术

钢筋混凝土结构是工业建筑领域里广泛应用的一种结构形式，钢筋与混凝土结合可大幅提高混凝土结构的力学性能和使用性能。但钢筋遇水、酸碱等侵蚀性介质会腐蚀，尤其是在桥梁、隧道、港口和基础结构中，这种腐蚀现象尤为严重。由于钢筋腐蚀引起的结构耐久性问题己成为钢筋混凝土结构面临的主要问题之一，人们一直在寻求能够替代钢筋用于混凝土中的加强材料筋。纤维增强筋是用长纤维复合材料与树脂经特殊的挤压和成型工艺，制成的纤维复合增强筋(以下简称FRP筋)。FRP筋具有轻质、高强、耐腐蚀、低松弛、非电磁、抗疲劳等优点，用它部分代替或全部代替混凝土结构中钢筋，对增强混凝土结构的使用性能和耐久性能具有非常积极的意义。目前，工程中应用的FRP筋主要有5种，即玻璃纤维(GFRP)筋、碳纤维(CFRP)筋、芳伦纤维(AFRP)筋、混杂纤维(HFRP)筋和玄武岩纤维(BFRP)筋。FRP筋与混凝土的粘结性能是影响FRP筋混凝土使用性能的一个重要因素：FRP筋与混凝土能很好地粘结结合在一起，当结构受到外力作用时，两种材料能够保持协同工作共同抵抗外力，从而提高结构的承载力。粘结试验是研究各种FRP筋与混凝土粘结性能的基本试验。目前，国内外FRP筋与混凝土的粘结试验一般是参照钢筋混凝土的粘结试验方法来设计，这些粘结性能测试方法主要有以下三种。

(1)中心拉拔试验此种试验装置简单，采用浇筑无横向筋或有横向筋约束的立方体混凝土试块(一般为150mm×150mm×150mm)，筋材放置在立方体的中心轴线上，埋入部分长度，在筋的伸出端施加拉力，在靠近加载端用聚氯乙烯(PVC)塑料套管把筋材和混凝土隔开来设置无粘结段，通过承压板将力传至混凝土上。通过测量加载端拉力和自由端的滑移值来评价筋材与混凝土的粘结性能。这是被用作评价筋材与混凝土粘结性能的一种常用试验方法，然而此种试验方法精度较低，试验结果离散性较大，且所得到的平均粘结强度是对筋材与混凝土间粘结应力的一个平均衡量，无法真实反映筋材与混凝土粘结段真实的粘结应力分布情况。

(2)梁式试验为了更好的模拟筋材在梁端的锚固状态，也可以设计采用梁式试验。梁式试验一般有全梁式试验和半梁式试验两种，试件尺寸和构造有多种，因为其与实际构件受力相符，常用于确定梁纵筋的延伸长度等构造要求。半梁式试验，可以减少构件尺寸和试验成本，同时可以调整弯矩与剪力的比。我国《混凝土结构试验方法标准》介绍的梁式试验与材料与结构研究实验所国际联合会(RILEM)建议的梁式粘结试验类似。由两块相同的钢筋混凝土块体组成，两块块体在梁底用钢筋连接，梁顶装有钢制试验铰。两个对称并相等的荷载加在简支梁跨中。钢筋在加载端和支座端各有一段无粘结区，中间的粘结长度为l。梁跨中的拉区为试验筋材，压区为钢制铰，力臂明确，以便根据试验荷载准确地计算钢筋拉力。现浇混凝土梁式构件有中间开口式和封闭式两种。此种方法是对中心拉拔试验试验精度的提高，但存在和中心拉拔试验同样的问题，即无法真实反映筋材与混凝土粘结应力分布情况。

(3)粘贴应变片为了解筋材与混凝土粘结段的内部应力情况，有研究者通过在筋材表面或者内部粘贴应变片的方法，以期获得加载过程中筋材应变情况。这种方法独特，比仅量测自由端的滑移值更接近筋材的真实应变情况。但是粘贴应变片通常是点式的，是内部应变在几个点上的反映，且应变片在混凝土试件振捣成型过程中容易损坏，存在成活率不高的问题。

总之，目前用于反映筋材与混凝土粘结滑移本构关系的粘结性能试验或多或少存在问题，如试验结果离散性较大、无法直接测量筋材与混凝土粘结段内部应力分布的问题，那么更好的测试方法需要满足：

a，试验方法精度高，可靠，稳定；

b，能反映筋材与混凝土粘结段内部分布式应变情况。即能准确测出筋材与混凝土的粘结段内部粘结应变分布情况，为建立筋材与混凝土粘结滑移本构关系提供可靠准确的依据。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种纤维复合增强筋(FRP)与混凝土粘结性能测试方法，可以更加准确地获知纤维复合增强筋与混凝土粘结段的粘结应力分布情况，为研究纤维复合增强筋与混凝土粘结段粘结应力分布提供试验方法，且该试验方法可靠、精度高。通过粘结应力的准确测试，可建立精确的纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力与滑移关系的位置函数，从而完善包括钢筋在内的筋材与混凝土间的本构关系模型。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的了一种纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：浇筑纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件(7)，提供一种单模光纤(b)作为应变传感器与纤维增强复合筋一起生产成型纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)，然后浇筑纤维复合增强筋-光纤筋中心拉拔试件，同时浇筑三个混凝土立方体试块以备检测混凝土强度之用，该混凝土立方体试块的长、宽、高都为150毫米；

步骤2：纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件养护，按照《混凝土强度评定标准》规定的混凝土试件标准养护条件，将纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件和混凝土立方体试块养护28天；

步骤3：提供锚具(5)、钢垫板(3)、千斤顶(6)、力传感器(4)、位移计(8)、荷载、滑移值采集设备(2)、光纤应变采集设备(1)，待纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件养护28天后，将其取出，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件加载端锚固锚具(5)，为保证加载时力均匀，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件的表面套一钢垫板(3)，然后分别将千斤顶(6)和力传感器(4)置于其上，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件自由端安装位移计(8)，最后将力传感器(4)和位移计(8)分别接入荷载、滑移值采集设备(2)，同时将粘结试件中纤维复合增强筋-光纤筋两端引出的光纤接入光纤应变采集设备(1)；安装完成后，采用分级匀速施加荷载，每级荷载加载完成后恒载5～10分钟；

步骤4：数据采集，利用荷载、滑移值采集设备(2)采集加载端荷载值和纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件自由端滑移值，同时利用光纤应变采集设备(1)采集加载过程中纤维复合增强筋-光纤筋中应变ε；

步骤5：数据分析，纤维复合增强筋应力σ_s根据采集的应变ε和纤维复合增强筋弹性模量E_s，用下式计算纤维复合增强筋应力：σ_s＝E_s·ε，纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力τ采用下式计算：

其中：d-纤维复合增强筋材直径，x-纤维复合增强筋粘结方向长度。

优选的，采用预泵浦布里渊光时域分析技术，选用单模光纤(b)作为应变传感器。

优选的，将光纤(b)随纤维复合增强筋布置于纤维复合增强筋中心。

优选的，步骤3中，安装完成后，采用分级匀速施加荷载，所述荷载为通过穿心千斤顶(6)施加荷载。

有益效果：首先，本发明利用预泵浦布里渊光时域分析技术(PPP-BOTDA)，该技术是对布里渊光时域分析技术(BOTDA)技术的该进，大大提高了检测精度；其次，本发明利用纤维复合增强筋拉挤成型工艺，对光纤采取特殊的布置方式：将光导纤维置于筋材中心处，和纤维丝一起拉挤成型，生产出纤维-光纤筋。这样布置光纤具有两个优点：由于光纤容易折断，将光纤置于筋材中心，可以起到很好保护光纤的作用，解决了光纤布置不好易断裂、难定位的问题；另外光纤与纤维复合增强筋一起固化成型，保证了光纤与筋材的同步变形，且光纤的直径较小，对纤维复合增强筋力学特性影响可以忽略不计；最后通过对荷载，自由端滑移和分布式光纤应变的同步采集，就可以准确获知纤维复合增强筋与混凝土粘结段的应力分分布情况，从而推知粘结应力分布情况。这就克服了以往的粘结性能试验方法无法直接量测纤维复合增强筋与混凝土粘结段在受力情况下的内部应变分布的难题，可以准确得到纤维复合增强筋与混凝土粘结应力分布情况，从而为完善筋材与混凝土之间的粘结滑移本构关系提供依据，且试验方法稳定，精度高。

附图说明

图1为纤维复合增强筋-光纤筋示意图：其中a为纤维复合增强筋；b为光纤。

图2为本发明提供的纤维复合增强筋与混凝土粘结性能测试方法的示意图：其中：1为应变采集设备；2为荷载、滑移值采集设备；3为钢垫板；4为压力传感器；5为锚具；6为穿心千斤顶；7为粘结试件；8为位移计；9为纤维复合增强筋-光纤筋。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的纤维复合增强筋(FRP)与混凝土的粘结性能测试方法的设计思路是：利用FRP筋特殊的拉挤成型工艺相结合，将光导纤维b布置在筋材中心位置，形成FRP-光纤复合筋(附图1)，浇筑纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件7；利用分布式光纤传感技术可以实现应变分布式检测的优点，测试粘结试件在加载过程中粘结段的FRP筋应力分布情况，进而推知粘结应力的分布情况，从而实现对FRP筋与混凝土的粘结段粘结应力的准确的量测，为粘结滑移本构关系的精确确定提供一种试验方法。

预泵浦布里渊光时域分析技术(PPP-BOTDA)[可参考文献GUO Tong，LI Aiqun，SONG Yongsheng，et a1.Experimental study on strain and deformation monitoring of reinforced concrete structures using PPP-BOTDA.SCIENCE IN CHINA PRESS，2009]，该技术是对布里渊光时域分析技术(BOTDA)技术的该进，大大提高了检测精度；

本发明提供的纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：浇筑纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件7，提供一种单模光纤b作为应变传感器与纤维增强复合筋一起生产成型纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)，然后浇筑纤维复合增强筋-光纤筋中心拉拔试件，同时浇筑三个150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试块以备检测混凝土强度之用；

步骤2：纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件养护，按照《混凝土强度评定标准》规定的混凝土试件标准养护条件(即温度20±1℃，相对湿度不小于95％)，将纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件和混凝土立方体试块养护28天；

步骤3：提供锚具5、钢垫板3、千斤顶6、力传感器4、位移计8、荷载、滑移值采集设备2、光纤应变采集设备1，待纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件养护28天后，将其取出，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件加载端锚固锚具5，为保证加载时力均匀，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件的表面套一钢垫板3，然后分别将千斤顶6和力传感器4置于其上，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件自由端安装位移计8，最后将力传感器4和位移计8分别接入荷载、滑移值采集设备2，同时将粘结试件中纤维复合增强筋-光纤筋两端引出的光纤接入光纤应变采集设备1；安装完成后，采用分级匀速施加荷载，每级荷载加载完成后恒载5～10分钟；

步骤4：数据采集，利用荷载、滑移值采集设备2采集加载端荷载值，位移计8采集纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件自由端滑移值，同时利用光纤应变采集设备1采集加载过程中纤维复合增强筋-光纤筋中应变ε；

步骤5：数据分析，纤维复合增强筋应力σ_s根据采集的应变ε和纤维复合增强筋弹性模量E_s，用下式计算纤维复合增强筋应力：σ_s＝E_s·ε，纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力τ采用下式计算：

其中：d-纤维复合增强筋材直径，x-纤维复合增强筋粘结方向长度。

采用预泵浦布里渊光时域分析技术，选用单模光纤b作为应变传感器。

光纤的布置方式为将光纤b随纤维复合增强筋布置于纤维复合增强筋中心。

步骤3中荷载施加方式为通过穿心千斤顶6施加荷载。

测量仪具与材料方面：

①纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)光纤传感器b埋入混凝土时要求能经受住混凝土放料的冲击，机械的抽吸、振动和新拌混凝土的翻动等严重考验而不被损伤，并确保在混凝土浇筑过程中，其位置不会变动。光纤自身又很精巧、纤细。因而如何保证布设过程中光纤不发生断裂，布设后光纤的变形和温度与结构准确、稳定地保持一致，是一个必须考虑的问题。为此，需要研究光纤的布设工艺。设工艺的好坏，直接决定布设后光纤成活率的大小以及测试结果的准确性和稳定性。本发明将光纤置于FRP筋的中心，与FRP纤维丝一起拉挤成型，成产出纤维复合增强筋-光纤筋，两端留有一段光纤用做检测之用。

②荷载施加设备穿心千斤顶6施加荷载，且应满足试验者所需的的最大荷载应满足不超过其量程的80％，且不小于量程的20％的要求。

③荷载、滑移值采集设备2可以采用静态数据采集仪(TDS)或者其他满足试验目标要求精度的仪器采集荷载值和滑移值。

④应变采集设备1试验中的预泵浦布里渊光时域分析技术(PPP-BOTDA)设备采用可满足试验目标精度要求的光纤分析仪。

在测试方法及步骤方面应满足如下条件：

1、准备工作：

(1)光纤的布置通过稳定的规模化生产工艺，将光纤置于FRP筋的中心，与FRP纤维丝一起拉挤成型，生产出性能稳定的纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)，两端留有一段光纤以作检测之用。

(2)混凝土浇筑水放置纤维复合增强筋-光纤筋，垂直浇筑混凝土，用振捣棒振捣成型，在浇筑同一批试件时，预留3个边长为100mm的立方体试块。24小时后拆模，每组试件在相同条件下养护28天。达到规定的养护时间后，对标准试块进行抗压试验，当试块抗压强度满足试验目标要求时，方可进行试验。

2、测试步骤

①试件安装定位将粘结试件水平放置，锚固锚具，装上液压穿心千斤顶及力传感器，应保证各个部件横截面中心在一条水平线上。

②数据采集设备安装将粘结试件中纤维复合增强筋-光纤筋两端的光纤接入，如图2所示，形成测试回路，开启机器，测试光纤是否畅通，并预施加一小荷载，以便在分析仪上准确辨认出粘结段光纤的位置；同时在自由端安装位移计，并将其和力传感器4同时接入附图2中2。

③试验加载采用分级匀速加载，每级荷载加载完成后恒载5～10分钟。

④数据采集加载时，用应变采集设备1和荷载、滑移值采集设备2同时分别记录加载过程中纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)中应变，自由端滑移值和加载端荷载值。

⑤数据分析

纤维复合增强筋应力σ_s根据采集的应变ε和筋材弹性模量E_S，用下式计算：

σ_s＝E_S·ε                            (1)

粘结应力τ采用下式计算：

$\mathrm{\τ}=-\frac{d}{4}\·\frac{d{\mathrm{\σ}}_s}{\mathrm{dx}}---\left(2\right)$

式中：

τ：粘结应力，兆帕(MPa)

d：筋材直径，米(m)

σ_s：纤维复合增强筋应力，兆帕(MPa)

x：纤维复合增强筋粘结方向长度，米(m)

根据计算得到的粘结应力和记录的滑移值绘制整个加载过程粘结应力-滑移曲线和粘结应力沿筋材埋深分布曲线，从而为粘结滑移本构的精确确定提供依据。

3、本发明提供的测试方法中，要求：

a，同种规格纤维复合增强筋-光纤筋粘结试验至少平行试验3个粘结试件，当3个粘结试件由(1)式计算结果值变异系数小于5％时，取其平均值作为试验结果。当变异系数大于5％时应分析原因，并追加试验。

b，试验报告应注明FRP筋规格种类、试验温度、荷载形式、浇筑深度等试验条件。

Claims (3)

1.一种纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：浇筑纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件(7)，提供一种单模光纤(b)作为应变传感器与纤维增强复合筋一起生产成型纤维复合增强筋-光纤筋(附图1)，然后浇筑纤维复合增强筋-光纤筋中心拉拔试件，同时浇筑三个混凝土立方体试块以备检测混凝土强度之用，该混凝土立方体试块的长、宽、高都为150毫米；

步骤2：纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件(7)养护，按照《混凝土强度评定标准》规定的混凝土试件标准养护条件，将纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件和混凝土立方体试块养护28天；

步骤3：提供锚具(5)、钢垫板(3)、千斤顶(6)、力传感器(4)、位移计(8)、荷载、滑移值采集设备(2)、光纤应变采集设备(1)，待纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件养护28天后，将其取出，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件加载端锚固锚具(5)，为保证加载时力均匀，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件的表面套一钢垫板(3)，然后分别将千斤顶(6)和力传感器(4)置于其上，在纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件自由端安装位移计(8)，最后将力传感器(4)和位移计(8)分别接入荷载、滑移值采集设备(2)，同时将粘结试件中纤维复合增强筋-光纤筋两端引出的光纤接入光纤应变采集设备(1)；安装完成后，采用分级匀速施加荷载，每级荷载加载完成后恒载5～10分钟；

步骤4：数据采集，利用荷载、滑移值采集设备(2)采集加载端荷载值和纤维复合增强筋-光纤筋混凝土粘结试件自由端滑移值，同时利用光纤应变采集设备(1)采集加载过程中纤维复合增强筋-光纤筋中应变ε；

步骤5：数据分析，纤维复合增强筋应力σ_s根据采集的应变ε和纤维复合增强筋弹性模量E_s，用下式计算纤维复合增强筋应力：σ_s＝E_s·ε，纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力τ采用下式计算：其中：d-纤维复合增强筋材直径，x-纤维复合增强筋粘结方向长度。

2.根据权利要求1所述的纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法，其特征在于：将光纤(b)随纤维复合增强筋布置于纤维复合增强筋中心。

3.根据权利要求1所述的纤维复合增强筋与混凝土间粘结应力测试方法，其特征在于：步骤3中，安装完成后，采用分级匀速施加荷载，所述荷载为通过穿心千斤顶(6)施加荷载。

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